基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法转让专利
申请号 : CN201911363935.5
文献号 : CN111180894B
文献日 : 2021-06-04
发明人 : 胡俊 , 赵润哲 , 吴文 , 杨景 , 胡燕金
申请人 : 南京理工大学
摘要 :
本发明公开了一种基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法，该方法是在OAM天线上方加载二维带通频率选择表面，以改善天线的远场特性；当电磁波入射时，频率选择表面的角度稳定性使得OAM波的各个方向的非均匀平面波分量得到过滤；这种方法在重塑OAM波形的同时，也会改变天线的带宽、增益等远场特性，而这些特性可以通过调整频率选择表面的几何结构、排布方式以及物理参数来改变。本发明通过分析频率选择表面的各项参数对这些特性的影响，设计每项参数的调整方案，最终得到暗区显著缩小的高增益天线。
权利要求 :
1.一种基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、设计单层单面带通频率选择表面，其整体尺寸等于天线接地平面尺寸，其通带带宽要覆盖OAM天线本身的通带带宽；
S2、将频率选择表面加载到OAM天线上，根据Fabry‑Perot谐振腔理论，设置FSS与OAM天线之间的距离；
S3、改变频率选择表面衬底的介电常数，建立其与OAM天线非零模态暗区的凹函数曲线，找到其最低点即为天线暗区最小点；
S4、根据频率选择表面介质基板厚度与入射角频偏曲线推导出关系公式y＝0.054+
0.046*sin(π*(x+0.74)/3.85)，其中x为频率选择表面的介质基板厚度，y为入射角60°时的中心频率相对于入射角0°时中心频率的偏移差，使其在入射角60°时中心频偏最小，即角度稳定性达到最佳。
2.根据权利要求1所述的基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
设计一单位单元，在其金属表面上蚀刻图案，仿真边界条件设置为元胞边界条件；
经数学计算及仿真优化，使无限大均匀排布的二维周期结构在平面波入射时，达到其通带带宽覆盖OAM天线本身的通带带宽；
根据OAM天线实际尺寸，结合已经设计好的单位单元，形成有限尺寸的单元沿X轴和Y轴等周期排布的单层单面带通频率选择表面。
3.根据权利要求1所述的基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
在OAM天线上方加载频率选择表面，使频率选择表面与天线接地板构成Fabry‑Perot谐振腔；
根据Fabry‑Perot腔体天线理论公式，设置FSS与天线之间的距离，使腔体高度满足谐振条件，使天线的轴向方向上具有最大的辐射方向。
4.根据权利要求1所述的基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
改变频率选择表面衬底的介电常数，建立其与OAM天线非零模态暗区的凹函数曲线；
根据两者间的关系曲线，找到曲线最低点对应的介电常数，其对应暗区即为最小暗区。
5.根据权利要求1所述的基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法，其特征在于，通过天线主体发射OAM波，通过频率选择表面对所述天线主体传输的信号进行空间滤波。
6.根据权利要求1或5所述的基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法，其特征在于，所述频率选择表面包括金属贴片部分和介质基板，所述金属贴片部分与介质基板相连接。
7.根据权利要求1或5所述的基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法，其特征在于，所述频率选择表面为空间带通滤波器。
说明书 :
基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法。
背景技术
[0002] 随着高速信息时代的到来，开发高频段毫米波通信技术可以极大地缓解频谱紧缺。目前已经应用码分复用(CDM)、时分复用(TDM)、极化复用(PDM)、正交频分复用(OFDM)以
及多输入多输出(MIMO)等技术去解决频谱资源短缺的问题，但这些技术的应用依旧难以满
足未来通信更高速率、更高带宽的发展趋势。因此，寻找其他新维度的复用技术来提高频谱
利用率已成为大势所趋。
及多输入多输出(MIMO)等技术去解决频谱资源短缺的问题，但这些技术的应用依旧难以满
足未来通信更高速率、更高带宽的发展趋势。因此，寻找其他新维度的复用技术来提高频谱
利用率已成为大势所趋。
[0003] 轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)在无线电通信系统中可以作为一种新的调制方式。基于OAM复用的通信技术可以实现在同一带宽内并行传输多路携带信息
的OAM涡旋电磁波，能够大大提高频谱的利用率。OAM在光学中已经被广泛应用，通过引入
OAM，光通信系统的传输能力得到很大程度的提升。要想将OAM这种新的调制技术应用于微
波段，其前提是能够获得高质量的OAM波束。因此，探索并设计小暗区的高增益OAM天线对
OAM技术的在微波射频领域的实际应用具有重要意义。
的OAM涡旋电磁波，能够大大提高频谱的利用率。OAM在光学中已经被广泛应用，通过引入
OAM，光通信系统的传输能力得到很大程度的提升。要想将OAM这种新的调制技术应用于微
波段，其前提是能够获得高质量的OAM波束。因此，探索并设计小暗区的高增益OAM天线对
OAM技术的在微波射频领域的实际应用具有重要意义。
[0004] 由于OAM波束是中空的，中间区域即暗区的场强很弱，且随着传播距离的增加，暗区会变得更大，这使得如何接收OAM波成为一个难题。目前接收OAM波方法有如下几种：两点
法、相位梯度法，虽然在单个OAM模式接收检测中很方便，但不能在多个OAM模式接收中使
用；部分角孔径接收(PAAR)法和部分孔径采样接收(PASR)法，不能有效地计算出OAM模式频
谱利用率；可变尺度孔径采样接收(VSASR)方法，正交性略有损坏，并且还存在其他一些串
扰OAM模式。
法、相位梯度法，虽然在单个OAM模式接收检测中很方便，但不能在多个OAM模式接收中使
用；部分角孔径接收(PAAR)法和部分孔径采样接收(PASR)法，不能有效地计算出OAM模式频
谱利用率；可变尺度孔径采样接收(VSASR)方法，正交性略有损坏，并且还存在其他一些串
扰OAM模式。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法，包括以下步骤：
[0007] S1、设计单层单面带通频率选择表面，其整体尺寸等于天线接地平面尺寸，其通带带宽要覆盖OAM天线本身的通带带宽；
[0008] S2、将频率选择表面加载到OAM天线上，根据Fabry‑Perot谐振腔理论，设置FSS与OAM天线之间的距离；
[0009] S3、改变频率选择表面衬底的介电常数，建立其与OAM天线非零模态暗区的凹函数曲线，找到其最低点即为天线暗区最小点；
[0010] S4、根据频率选择表面介质基板厚度与入射角频偏曲线推导出关系公式y＝0.054+0.046*sin(π*(x+0.74)/3.85)，其中x为频率选择表面的介质基板厚度，y为入射角60°时
的中心频率相对于入射角0°时中心频率的偏移差，使其在入射角60°时中心频偏最小，即角
度稳定性达到最佳。
的中心频率相对于入射角0°时中心频率的偏移差，使其在入射角60°时中心频偏最小，即角
度稳定性达到最佳。
[0011] 与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)传统接收方法的不足根本原因是由于无法完全接收波束发散现象严重的OAM波，而本发明提出的方法可以减小发散角，即缩小暗
区面积，使得完全接收OAM波成为了可能；(2)本发明的缩小暗区的方法将OAM天线和频率选
择表面相结合，可根据OAM天线实际应用需求来加载不同的频率选择表面，其优点是可以一
直保持高增益和小暗区的特点；(3)该方法对于接收OAM波以及提高天线传输质量具有很强
的实用性。
区面积，使得完全接收OAM波成为了可能；(2)本发明的缩小暗区的方法将OAM天线和频率选
择表面相结合，可根据OAM天线实际应用需求来加载不同的频率选择表面，其优点是可以一
直保持高增益和小暗区的特点；(3)该方法对于接收OAM波以及提高天线传输质量具有很强
的实用性。
附图说明
[0012] 图1是本发明基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法流程图。
[0013] 图2是本发明实施例中的天线结构图。
[0014] 图3是本发明实施例的介电常数与暗区0db点之间的凹函数曲线图。
[0015] 图4是本发明实施例的未加载FSS与加载FSS的数据结果图。
具体实施方式
[0016] 针对OAM波束中空涡旋特性，本发明提出一种基于频率选择表面的OAM天线暗区缩小方法，在OAM天线上方加载频率选择表面，包括天线主体和频率选择表面；所述天线主体
用于发射OAM波，所述频率选择表面加载在天线主体上用于对OAM天线进行空间滤波。
用于发射OAM波，所述频率选择表面加载在天线主体上用于对OAM天线进行空间滤波。
[0017] 如图1所示，该方法包括以下步骤：
[0018] S1、设计单层单面带通频率选择表面，要求其整体尺寸等同于天线接地平面尺寸，其通带带宽要覆盖OAM天线本身的通带带宽；
[0019] S2、将频率选择表面加载到OAM天线上，根据Fabry‑Perot谐振腔理论，设置FSS与OAM天线之间的距离；
[0020] S3、改变频率选择表面衬底的介电常数，建立其与OAM天线非零模态暗区的凹函数曲线，找到其最低点即为天线暗区最小点；
[0021] S4、根据频率选择表面介质基板厚度与入射角频偏曲线推导出关系公式y＝0.054+0.046*sin(π*(x+0.74)/3.85)，其中x为频率选择表面的介质基板厚度，y为入射角60°时
的中心频率相对于入射角0°时中心频率的偏移差。使其在入射角60°时中心频偏最小，即角
度稳定性达到最佳。
的中心频率相对于入射角0°时中心频率的偏移差。使其在入射角60°时中心频偏最小，即角
度稳定性达到最佳。
[0022] 进一步的，步骤S1具体包括：
[0023] 设计一单位单元，在其金属表面上蚀刻图案，仿真边界条件设置为元胞边界条件；
[0024] 经过现有成熟技术的数学计算及仿真优化，使无限大均匀排布的二维周期结构在平面波入射时，达到其通带带宽覆盖OAM天线本身的通带带宽；
[0025] 根据OAM天线实际尺寸，结合已经设计好的单位单元，最终形成有限尺寸的单元沿X轴和Y轴等周期排布的单层单面带通频率选择表面。
[0026] 进一步的，步骤S2具体包括：
[0027] 在OAM天线上方加载频率选择表面，使频率选择表面与天线接地板构成Fabry‑Perot谐振腔；
[0028] 根据Fabry‑Perot腔体天线理论公式，设置FSS与天线之间的距离，使腔体高度满足谐振条件，进一步使天线的轴向方向上具有最大的辐射方向。
[0029] 进一步的，步骤S3具体包括：
[0030] 改变频率选择表面衬底的介电常数，建立其与OAM天线非零模态暗区的凹函数曲线。
[0031] 根据两者间的关系曲线，可以发现改变介电常数可以使OAM波束暗区显著变化，找到曲线最低点对应的介电常数，其对应暗区即为最小暗区。
[0032] 进一步的，通过天线主体发射OAM波，通过频率选择表面对所述天线主体传输的信号进行空间滤波，最终获得暗区显著缩小的高增益天线。
[0033] 进一步的，所述频率选择表面包括金属贴片部分和介质基板：所述金属贴片部分和介质基板相连接；且通过改变介质基板和金属贴片部分的各项参数，尤其是介电常数，可
以获得OAM波束暗区显著缩小的高增益天线。目前国内外并无暗区面积的计算研究，但暗区
缩小的直接体现是发散小减小。下文实施例的结果是发散角减小为未加载FSS时发散角的
一半。
以获得OAM波束暗区显著缩小的高增益天线。目前国内外并无暗区面积的计算研究，但暗区
缩小的直接体现是发散小减小。下文实施例的结果是发散角减小为未加载FSS时发散角的
一半。
[0034] 进一步的，所述频率选择表面为空间带通滤波器，通过所述带通滤波器对来自天线主体输出的信号，按所述信号所在频段进行设计及滤波，且所述带通滤波器的通带和阻
带依据所述天线主体输出的信号的所在频段进行设置。
带依据所述天线主体输出的信号的所在频段进行设置。
[0035] 考虑到OAM天线的斜入射波特性，介质基板应足够厚，使得频率选择表面有良好的角度稳定性。
[0036] 下面结合实施例对本发明做进一步解释和补充。
[0037] 实施例
[0038] 如图2所示，本实施例中提供了一种天线，用于实现OAM波束的暗区缩小，该天线包括天线主体、频率选择表面；所述天线主体用于发射OAM波束；所述频率选择表面加载在所
述天线主体上方，用于对OAM波进行空间滤波。
述天线主体上方，用于对OAM波进行空间滤波。
[0039] 在图2所示的实施例中，所述天线主体包括介质基板1、介质基板2、辐射贴片3、接地基板4。介质基板2上表面印制矩形辐射贴片3，介质基板2下表面印制方形接地基板4，介
质基板1印制在接地基板4的下表面。馈电方式采用同轴馈电，四个馈电端口在介质基板1的
下方，介质基板1、2及接地基板4设置有过孔，同轴接头的内导体穿过此孔与辐射贴片3焊
接，外导体与接地基板4连接，构成底部馈电结构。
质基板1印制在接地基板4的下表面。馈电方式采用同轴馈电，四个馈电端口在介质基板1的
下方，介质基板1、2及接地基板4设置有过孔，同轴接头的内导体穿过此孔与辐射贴片3焊
接，外导体与接地基板4连接，构成底部馈电结构。
[0040] 在图2所示的实施例中，所述频率选择表面包括介质基板5和金属贴片部分6，所述FSS的表面是由若干周期性排布的金属贴片单元6构成。所述表面为带通频率选择表面，且
该表面的通带和阻带依据所述天线主体发射的OAM波的所在频段进行设计，用于使输出端
口输出信号的频段与其原应输出的信号的频段相一致，滤除杂波。
该表面的通带和阻带依据所述天线主体发射的OAM波的所在频段进行设计，用于使输出端
口输出信号的频段与其原应输出的信号的频段相一致，滤除杂波。
[0041] 如图1所示，本发明基于频率选择表面的暗区缩小方法包括以下步骤：
[0042] S1、设计单层单面带通频率选择表面，要求其尺寸等于天线接地平面尺寸，其通带带宽要覆盖OAM天线本身的通带带宽，具体步骤如下：
[0043] A、设计一单位单元，再其金属表面上蚀刻图案，仿真边界条件设置为元胞边界条件。
[0044] B、经过数学计算及仿真优化，使无限大均匀排布的二维周期结构在平面波入射时，达到其通带带宽覆盖OAM天线本身的通带带宽。
[0045] C、根据OAM天线实际尺寸，结合已经设计好的单位单元，最终形成有限尺寸的单元沿X轴和Y轴等周期排布的单层单面带通频率选择表面。
[0046] 本实施例中选择的是环形缝隙加载的频率选择表面，单元与单元环形缝隙之间距离要保证足够小，以防止栅瓣的过早出现。设计的环形缝隙的周长近似等于天线的谐振频
率的波长。
率的波长。
[0047] S2、将频率选择表面加载到OAM天线上，根据Fabry‑Perot谐振腔理论，设置FSS与OAM天线之间的距离，具体包含以下步骤：
[0048] A、在OAM天线上方加载频率选择表面，使频率选择表面与天线接地板构成Fabry‑Perot谐振腔。
[0049] B、根据Fabry‑Perot腔体天线理论公式，设置FSS与天线之间的距离，使腔体高度满足谐振条件，进一步使天线的轴向方向上具有最大的辐射方向。
[0050] 步骤B中，当腔体高度满足谐振条件时，OAM天线辐射的电磁波一部分通过FSS向外透射，另一部分则反射回谐振腔内，经过多次反射的电磁波再FSS外表面上同相叠加，形成
高增益辐射，从而提高天线方向性，锐化波束宽度。
高增益辐射，从而提高天线方向性，锐化波束宽度。
[0051] S3、改变频率选择表面衬底的介电常数，建立其与OAM天线非零模态暗区的凹函数曲线，找到其最低点即为暗区最小点。
[0052] 当改变频率选择表面衬底的介电常数，在暗区缩小的同时，主波瓣的波束指向逐渐偏向于法相。当介电常数增大到关系曲线的增区间时，会发现在暗区扩大的同时，主波束
指向也逐渐偏离于法相。
指向也逐渐偏离于法相。
[0053] 改变频率选择表面衬底的介电常数，建立其与OAM天线非零模态暗区的凹函数曲线。本实施例的曲线图如图3所示，可以明显看出此函数图形为凹函数曲线，介电常数为3.5
时暗区0db角度最小，即为暗区最小点。
时暗区0db角度最小，即为暗区最小点。
[0054] S4、根据频率选择表面介质基板厚度与入射角频偏曲线推导出关系公式y＝0.054+0.046*sin(π*(x+0.74)/3.85)，使其在入射角60°时中心频偏最小，即角度稳定性达到最
佳。
佳。
[0055] 当改变频率选择表面的介质基板厚度，可以发现频率选择表面的角度稳定性明显改善。由于所述实施例的均匀圆阵列OAM天线的斜入射波特性，导致频率选择表面的角度稳
定性显得尤为重要。
定性显得尤为重要。
[0056] 本发明的基于频率选择表面的暗区缩小方法的实施例，相比于未加载频率选择表面的结果，暗区在方向图0db处角度缩小为原来的一半，数据归纳如图4所示。该方法给远距
离接收大部分OAM波甚至完全接收OAM波提供了可能。
离接收大部分OAM波甚至完全接收OAM波提供了可能。